虚拟和增强现实(VR/AR)技术在教学中的应用与前景展望

原标题:虚拟和增强现实(VR/AR)技术在教学中的应用与前景展望

本文发表于《数字教育》2017年第1期(总第13期)特稿栏目,页码:1-10。转载请注明出处。

摘 要:2016 年被称为“虚拟现实元年”,虚拟现实作为近年来极为火热的科技话题,给人们带来焕然一新的感官享受, 激发了许多关于“虚拟现实+”行业的发展想象与前景构想。同时,增强现实的出现,也让人们获得了极佳的体验感。本研究梳理了虚拟现实和增强现实技术的起源、概念和应用领域,分析了虚拟现实和增强现实技术在教育中的应用、优势和存在的问题,阐述了虚拟现实和增强现实技术在创客教育和STEAM 教育中的作用,并对未来的发展前景进行了展望。

关键词:虚拟现实;增强现实;VR;AR;创客教育;STEAM 教育;人工智能;大数据

一、虚拟现实和增强现实技术的起源、概念和应用领域

(一)虚拟现实和增强现实技术的起源

2016 年被业界称为“虚拟现实元年”,可能有人会误认为这项技术是近年来才发展起来的新技术。其实不然,虚拟现实(VirtualReality,简称VR)技术最早起源于美国,1965 年虚拟现实之父伊凡·苏泽兰(Ivan Sutherland)在国际信息处理联合会(IFIP) 会议上发表的一篇名为《终极的显示》的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想,描述的就是我们现在熟悉的“虚拟现实”,早在虚拟现实技术研究的初期, 苏泽兰就在其“达摩克利斯之剑”系统中实现了三维立体显示。增强现实(Augmented Reality,简称AR)是指在真实环境之上提供信息性和娱乐性的覆盖,它是苏泽兰在进行有关头戴式显示器的研究中引入的[1]。1966 年美国麻省理工学院(MIT)的林肯实验室正式开始了头戴式显示器(HMD)的研制工作。在这第一个头戴式显示器的样机完成不久,研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到这个系统中。1970 年,出现了第一个功能较齐全的头戴式显示器系统。1989 年, VPL 公司的Jaron Lanier 提出用“Virtual Reality” 来表示虚拟现实一词,并且把虚拟现实技术开发为商品,推动了虚拟现实技术的发展和应用[2]。虚拟现实技术兴起于20 世纪90 年代。2000 年以后,虚拟现实技术在整合发展中引入了XML、JAVA 等先进技术,应用强大的3D计算能力和交互式技术,提高渲染质量和传输速度,进入了崭新的发展时代。虚拟现实技术是经济和社会生产力发展的产物,有着广阔的应用前景。2008 年2 月,美国国家工程院(NAE)公布了一份题为“21 世纪工程学面临的14 项重大挑战”的报告。虚拟现实技术是其中之一,与新能源、洁净水、新药物等技术相并列。为了获得虚拟现实技术优势,美、英、日等国政府及大公司不惜巨资在该领域进行研发。

我国虚拟现实技术的研究起步于20 世纪90 年代初。随着计算机图形学、计算机系统工程等的高速发展,虚拟现实技术得到相当的重视。2016 年3 月17 日全国两会授权发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》中指出:“大力推进先进半导体、机器人、增材制造、智能系统、新一代航空装备、空间技术综合服务系统、智能交通、精准医疗、高效储能与分布式能源系统、智能材料、高效节能环保、虚拟现实与互动影视等新兴前沿领域创新和产业化,形成一批新增长点。”[3] “虚拟现实”位列其中,同时,投身于虚拟现实的创业团队呈爆发式增长。有人在展望2020 年重要新兴核心科技的发展时也把虚拟现实和增强现实技术列入当前重要的八项新兴核心科技(八项新兴核心科技如图1 所示)。国家广告研究院等多家机构联合发布的《2016 上半年中国VR 用户行为研究报告》显示,2016 年上半年国内虚拟现实潜在用户达4.5 亿,浅度用户约为2700 万,重度用户约237 万, 预计国内虚拟现实市场将迎来爆发式增长。虚拟现实用户群体以80 后、90 后为主,集中在26 ~ 30 岁之间的85 后,占比达到28.4%,这与年青一族乐于接触新鲜事物的特点有关。另外,用户群体有从北上广等经济发达城市逐渐向全国扩散的趋势[4]。

(二)虚拟现实和增强现实的概念、特征和应用领域

1. 虚拟现实技术

虚拟现实,是一种基于多媒体计算机技术、传感技术、仿真技术的沉浸式交互环境。具体地说,就是采用计算机技术生成逼真的视觉、听觉、触觉一体化的特定范围的虚拟环境,用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响,从而产生亲临等同真实环境的感受和体验[5]。

虚拟现实具有3I 特性,即沉浸性(Immersion)、交互性(Interaction)、构想性(Imagination),是一个学科高度综合交叉的科学技术领域。虚拟现实与人工智能 (AI) 技术及其他相关领域技术结合,将会使其还具有智能(Intelligent) 和自我演进演化(Evolution) 特征[6]。头戴式虚拟现实设备如图2 所示,用手机扫描图3 二维码即可观看虚拟现实视频介绍。

虚拟现实涉及门类众多的学科,整合了很多相关技术。虚拟现实是未来科技发展的方向之一,它可以从人的感觉系统上改变现有的空间感。虚拟现实现有的产业链大致可分为硬件设计开发、软件设计开发、资源设计开发和资源运营平台等几种类别。通过虚拟现实关键技术的突破以及“虚拟现实+”的带动,会产生大量行业和领域的虚拟现实应用系统,为网络与移动终端应用带来全新发展,将会推动许多行业实现升级换代式的发展。虚拟现实可以应用于国防军事、航空航天、智慧城市、装备制造、教育培训、医疗健康、商务消费、文化娱乐、公共安全、社交生活、休闲旅游、电视直播等领域中。如2016 年10 月17 日中央电视台运用虚拟现实全息技术直播了“天宫二号”和“神舟十一号”交会对接及其共同建立组合体的过程,采用虚拟追踪技术,让“天宫二号”从大屏幕中“钻”了出来,通过机位的景别变换,观众可以直观地看到”“天宫二号”的数据和设计细节,使观众身临其境地全面了解“神舟十一号”“天宫二号”及其组合体内部构造和控制面板,同时主播文静还“走进”“天宫二号” 实验室内,逐一向观众介绍“天宫二号”的内部结构信息,与传统的新闻播报相比,电视直播应用虚拟现实技术显得更加生动活泼,视觉冲击力更强,观众感受更直观。

2. 增强现实技术

增强现实是在虚拟现实的基础上发展起来的一种新兴技术。增强现实技术基于计算机的显示与交互、网络的跟踪与定位等技术,将计算机形成的虚拟信息叠加到现实中的真实场景,以对现实世界进行补充,使人们在视觉、听觉、触觉等方面增强对现实世界的体验[7]。

增强现实具有三大特点,即虚实结合、实时交互和三维配准[8]。

增强现实具有三种呈现显示方式,按距离眼睛由近到远划分分别为头戴式(head-attached)、手持式(hand-held)、空间展示(spatial)[9]。增强现实智能眼镜如图4 所示,扫描图5 二维码可以观看Magic Leap 增强现实演示视频。

增强现实的应用领域非常广泛。如在教育领域增强现实可以为学生呈现全息图像、虚拟实验、虚拟环境等;在旅游业增强现实可以帮助游客自助游玩景区,以虚拟影像的形式为游客讲解景区概况、发展历史、人文景观等内容;在零售业中增强现实技术可以实现一键试穿,在网上销售中具有极大的应用空间。增强现实在工业、医疗、军事、市政、电视、游戏、展览等领域都表现出了良好的应用前景。

3. 混合现实技术

混合现实(Mixed Reality,简称MR)是虚拟现实技术的进一步发展,该技术通过在现实场景呈现虚拟场景信息,在现实世界、虚拟世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路,以增强用户体验的真实感。混合现实技术结合了虚拟现实技术与增强现实技术的优势,能够更好地将增强现实技术体现出来。根据史蒂夫·曼恩的理论,智能硬件最后都会从增强现实技术逐步向混合现实技术过渡。混合现实技术和增强现实技术的区别在于混合现实技术通过一个摄像头让你看到裸眼都看不到的现实,增强现实技术只管叠加虚拟环境而不管现实本身[10]。混合现实技术效果如图6 所示,扫描图7 二维码可观看混合现实演示动画和视频。

4. 扩展现实技术

扩展现实(Expander Reality, 简称ER)是人联网和物联网的整合,是虚拟现实发展的高级阶段,虚拟现实发展到扩展现实阶段,现实和虚拟的边界被抹去,人们很难分辨自己是生活在虚拟世界还是现实世界[11]。扩展现实场景如图8 所示。

5. 虚拟现实、增强现实、混合现实、扩展现实的区别

虚拟现实、增强现实、混合现实、扩展现实四者间的区别是:虚拟现实的主战场是“虚拟世界”,人们使用虚拟现实设备探索人为因素所建立的虚拟世界,追求沉浸感,虚拟现实是纯虚拟数字画面;增强现实的主战场是“现实世界”,人们使用增强现实设备产生的虚拟信息来提升探索现实世界的能力,具有极强的移动属性,增强现实是虚拟数字画面加上裸眼现实;混合现实是数字化现实加上虚拟数字画面,从概念上来说,混合现实与增强现实更为接近,都是一半现实一半虚拟影像;扩展现实是人联网和物联网的整合,是虚拟现实发展的高级阶段,现实和虚拟的边界将被抹去。

二、虚拟现实和增强现实技术在教学中的具体应用

虚拟现实和增强现实技术在教学中的应用潜力巨大、前景广阔,主要体现在运用虚拟现实和增强现实技术具有激发学习动机、创设学习情境、增强学习体验、感受心理沉浸、跨越时空界限、动感交互穿越和跨界知识融合等多方面的优势。虚拟现实和增强现实技术的应用,能够为教育工作者提供全新的教学工具,同时,能激发学生学习新知识的兴趣,让学生在动手体验中迸发出创新的火花。因此虚拟现实和增强现实技术应用于教育行业是教育技术发展的一个新的飞跃, 它营造了自主学习的环境,由传统的“以教促学”的学习方式演变为学生通过新型信息化环境和工具来获取知识和技能的新型学习方式,符合新一轮教学改革的教育理念,有助于学生核心素养的培养。虚拟现实和增强现实设备有多种,这里分别介绍各种设备在教学中的具体应用。

(一)头戴式虚拟现实和增强现实设备在教学中的应用

头戴式虚拟现实设备一般包含头戴式显示器、位置跟踪器、数据手套和其他设备等,分为移动虚拟现实头盔和分体式虚拟现实头盔。国外有脸谱、谷歌、微软、三星等公司的虚拟现实头盔产品,国内有微视酷、蚁视、暴风魔镜、中兴、乐视、华为、小米等100 多种虚拟现实头盔产品。结合国内外的研究报告以及目前虚拟现实教育实践情况,虚拟现实和增强现实技术在生物、物理、化学、工程技术、工艺加工、飞行驾驶、语言、历史、人文地理、文化习俗等教学中均可应用。

学生使用头戴式虚拟现实设备体验学习时具有置身真实情境的沉浸式感觉,能给学生以绝佳的真实体验, 使人如身临其境,让书本中的内容可触摸、可互动、可感知。例如地理学科讲述关于宇宙太空星际运行的课程时,在现实生活中学生无法遨游太空,如果戴上头戴式虚拟现实设备,就可以让学生从各个角度近距离观察行星、恒星和卫星的运行轨迹,观察每个星球的地表形状和内部结构,甚至能够降落在火星或月球上进行“实地” 考察、体验星际之旅等。虚拟现实头戴设备如图9 所示, 手机扫描图10 二维码观可看虚拟现实效果视频。

2016 年,微视酷推出了一款虚拟现实课堂教学系统,在国内具有一定的代表性。该教学系统由一台教师用的平板电脑主控端、多套学生用的虚拟现实眼镜和IES 教育软件系统构成。系统具备一键操控、一键统计和一键打印功能,教师可根据教学进度需求,随时控制学生虚拟现实眼镜教学内容。微视酷开展了“VR 课堂1 工程”计划,跨越了全国多个省市。其中在陕西省榆林市高新小学呈现的“神奇星球在哪里”虚拟现实示范教学观摩课情景如图11 所示[12]。虚拟现实把学生从现实带到了虚拟世界,虚拟现实技术让学生成了一名宇航员,让学生看到了许多平常看不到的东西,与传统的课堂相比,虚拟现实课堂让学生获得身临其境的感受,有利于学生发挥想象力,能更直观地呈现授课内容,提高学生学习的积极性。

头戴式增强现实装置代表产品有微软HoloLens、MagicLeap 和Meta 2 等,均有酷炫的体验感,能够让使用者在任何地方观看虚拟电视,甚至可以把影像投影在墙上、手机屏幕或者面前的空气中,这些增强现实设备应用将取代所有的“显示器和屏幕”。以Ho-loLens 头戴式增强现实设备为例(如图12 所示),其主要硬件由全息处理单元(CPU+GPU+HPU)、光学投影系统(Lcos 微投影仪+ 光导透明全息透镜)、摄像头与传感器部分(6 个摄像头+ 惯性传感器+ 环境光传感器等)、存储部分、其他部件(耳机+ 麦克风+ 电池+ 结构件)等组成。学生在使用HoloLens 后, 就可以扔掉电脑和手机,不用键盘、鼠标和显示屏幕, 双手在空气中操作即可完成现在人们在电脑和手机上的所有操作,悬空操作即可完成机器人的3D 建模设计任务,如图13 所示。

(二)桌面式虚拟现实与增强现实设备在教学中的应用

桌面式虚拟现实与增强现实设备具有代表性的产品是美国zSpace 公司的虚拟现实教育一体机,美国从2013 年开始使用,现在使用的zSpace Z300 为第三代产品。根据美国最新的《新一代科学教育标准》, zSpace 开发出了包含 2 ~12 年级多门学科的课件, 课件分布在六款软件之中,教师可采用系统平台自带课件实施教学计划,也可创造性地自主开发新课件。zSpace 不仅可以成为教学工具,还为学生、老师提供了丰富的素材资源。在美国的小学、中学和大学有250 多所学校上万名学生正在使用zSpace STEAM 实验室课件来进行学习。我国的云尚互动公司2015 年年底将zSpace Z300 引入中国,2016 年4 月“智创空间”获赠6 套该设备用于创客教育和STEAM教育的推广普及, 至今共有2700 多人次来体验学习。zSpaceZ300 的内容覆盖了小学、初中和高中的生命科学、数学、物理、化学、历史、地理、地球与空间科学、艺术等多个学科, 课件总数达440 多个。该平台还提供课件资源开发系统, 教师可以根据需要将stl、obj 等格式的3D 模型文件导入系统,同时可以加入文本、图片、声音和视频文件,教师可以像制作PPT 课件一样进行修改和自主开发能够在Z300 平台上运行的课件资源。Z300 平台的使用方法有两种:一种是戴上3D 眼镜(含追踪和非追踪眼镜),戴追踪眼镜者用激光笔操作,其他人戴上非追踪眼镜都可以看到3D 虚拟现实效果;另一种是增加一个全息摄像头和平板电脑(或投影),将Z300 设备的3D 影像叠加投射到平板电脑上即可呈现出裸眼3D 的增强现实效果。

(三)手持式虚拟现实与增强现实设备在教学中的应用

手持式增强现实设备多采用移动设备与APP 软件相结合的方式。APP 有视+AR、AR、4D 书城、幻视、视视AR、尼奥照照等,另外有多种增强现实图书都有相配套的APP,如《机器人跑出来了》《实验跑出来了》《恐龙争霸赛来了》这套“科学跑出来”系列增强现实科普读物有iRobotAR、iScienceAR、恐龙争霸赛来了等多个APP,它们的原理都是采用手机摄像头获取现实世界影像,通过手机在现实世界上叠加虚拟形象的形式,实现增强现实的特殊显示效果。有的APP 中提供了丰富的教育资源,如安全教育、科普读物、识字卡片、益智游戏等,特别适合儿童教育。使用方法有两种:一种是手机APP 与相配套的纸质图书一起使用,用手机摄像头扫描图书上的图片,在手机屏幕上即可呈现出如图14 的演示效果;另一种使用方法是运用APP 下载增强现实资源并与外界实景叠加即可呈现出如图15 的演示效果。增强现实特效非常逼真,利用这些APP 进行学习,学习过程具有真实感、体验感、沉浸感,增强了学生学习知识的兴趣,可以达到寓教于乐的教学效果。

三、虚拟现实与增强现实技术在教学中应用的优势分析

(一)虚拟现实与增强现实技术为学生自主学习提供了有利条件

虚拟现实和增强现实教学资源存在形式多种多样, 根据采用的设备不同,可以将教学资源保存在网络运营平台、桌面式设备、移动设备和纸质图书里,学生可以在不同的地方采用不同的设备调用虚拟现实和增强现实教学资源进行随时随地的自主学习。如果学生在课堂上有些知识点未能掌握,可以重新学习一遍,增加对知识的巩固和理解,有时学生因为特殊原因未能在课堂上学习,也可以课后弥补,同时可以将虚拟现实和增强现实设备作为载体采用“翻转课堂”或“微课导学”教学模式[13][14]组织教学,为学生提供自主学习条件,教师也可以从繁重的重复性讲解中解脱出来,有针对性地为学生答疑解惑,有助于传统教学方式的变革。

(二)虚拟现实与增强现实技术为学生提供更加真实的情景

在传统的教学课堂上,知识的传输主要通过文字、图片、声音、动画和视频的形式呈现。遇到比较复杂的情况,比如数学课的立体几何、地理课的天体运动、物理课的磁力线和电力线、化学课的微观粒子结构、生物课的细胞结构等,教师用语言很难把这些知识点表达得非常清晰,同时由于每个学生的理解力不同,教学效果也会因人而异,甚至初次学习这些知识的学生会得到“盲人摸象”般的感受。而采用虚拟现实和增强现实技术组织教学,三维立体效果的呈现可以弥补这样的缺憾,能够把知识立体化,把难以想象的东西直接以三维形式呈现出来,让学生直观感受到文字所表达不出来的知识,真实的情景可以帮助学生对知识的理解和记忆,使学生的想象变得更加丰富。

(三)虚拟现实和增强现实技术能提高学生的学习兴趣

由于虚拟现实和增强现实技术具有视觉、听觉和触觉一体化的感知效果,学生具有真实情境体验、跨越时空界限、动感交互穿越的感受,能身临其境般在书海里遨游,让书本中的内容可触摸、可互动、可感知。身临其境的感受和自然丰富的交互体验不仅极大地激发了学习者的学习动机,更给学习者提供了大量亲身观察、操作以及与他人合作学习的机会,促进了学生的认知加工过程及知识建构过程,有利于实现深层次理解[15]。传统的学习方式让很多学生觉得枯燥乏味, 为了应付考试不得不去死记硬背,但很多知识学生考完之后很快会忘得一干二净,而采用虚拟现实和增强现实技术组织教学,新颖的学习方式和丰富多彩的学习内容能够极大地提升课堂教学的趣味性,生动形象的场景会加强学生的记忆,激发学生的学习兴趣。“兴趣是最好的老师”,兴趣也是学生学习新知识的不竭动力。

(四)虚拟现实和增强现实技术应用能促进优质资源均衡化

我国幅员辽阔,地区之间贫富差距较大,存在教学资源分配不均的情况。经济发达地区无论是软硬件配置, 教学师资和教学资源都非常丰富,而经济落后、地域偏远的山村学校学生连接受最基本的教育都难以实现。各级政府和教育主管部门都在大力推进教育均衡发展,加大教育投资力度,而虚拟现实和增强现实技术应用将是解决城乡教育资源不均衡问题的一把金钥匙,有利于缓解教育资源两极分化,扩大优质资源的分享范围,能让教育资源不再受限于地区和学校,让教育发达地区的名教师通过虚拟现实和增强现实课堂走进山村学校,能通过整体优化教育资源配置,来缩小城乡差距,实现教育公平,同时这也是教育扶贫的较佳途径。

四、虚拟现实和增强现实技术在教学应用中存在的问题

虽然虚拟现实和增强现实技术在教学中的应用可以改变传统的教学方式、提高学习兴趣、实现教育均衡发展,但虚拟现实和增强现实技术发展还处在初级应用阶段,在技术瓶颈、资源开发、教学内容和推广普及等方面还存在很多问题。

(一)虚拟现实设备应用中的眩晕问题

人们在使用虚拟现实设备时会出现眩晕感,从硬件结构来看,由于现在的科技还无法做到高度还原真实场景,许多用户使用配置达不到要求的虚拟现实产品时会产生眩晕感;虚拟现实界面中的视觉反差较大,实际运动与大脑运动不能够正常匹配,影响大脑对所呈现影像的分析和判断,从而产生眩晕感;虚拟现实设备的内容有相当一部分资源是从PC电脑版上移植过来的,UI 界面不能很好地匹配虚拟现实设备,不同的系统处理上也无法达到协调统一,画面感光线太强或太弱都不能让用户接受;虚拟现实设备帧间延迟跟不上人的运动,会有微小的延迟感,当感官与帧率不同步时也会让使用者产生眩晕感。

(二)虚拟现实和增强现实技术在教学中资源短缺

目前虚拟现实和增强现实产业刚起步,软硬件设施不完备,开发人员技术力量不足,很多学校未配备虚拟现实和增强现实设备;中小学校的很多教师还没有接触过虚拟现实和增强现实,不知道如何在教学中应用,更谈不上如何去开发虚拟现实和增强现实教学资源。因此,针对中小学教学所开发的虚拟现实资源很少,课程资源短缺是虚拟现实和增强现实在中小学推广的最大瓶颈。但随着虚拟现实和增强现实技术的迅猛发展,将虚拟现实和增强现实技术应用于教学势在必行,未来虚拟现实和增强现实技术在教学中的应用势必带来课堂教学方式的颠覆性改变。

(三)虚拟现实和增强现实教学平台和资源的设计重形式轻内容

当前很多虚拟现实教育平台都只是在一个3D 视频或虚拟现实软件游戏的基础上构成虚拟现实教学。虽然学生在虚拟世界玩得津津有味,课堂气氛很活跃,学生互动、交流和讨论很热烈,表面上看学生得到了沉浸式的体验感,但是有些虚拟现实教育平台所提供的知识点讲解还停留在现实世界中,课本内容的单调、枯燥并没有因软件的存在而得到缓解,知识要点的讲解没有变得更加生动、有趣和有针对性,这种只重视形式而不重视内容、教与学完全脱节的虚拟现实课堂只能称为“伪虚拟现实课堂”。

(四)虚拟现实和增强现实设备价格较高和技术条件限制导致普及困难

企业的前期研发成本较高、设备销售量较少,导致多数虚拟现实和增强现实设备销售价格居高不下, 很多学校因资金问题望而却步,无力购买售价高昂的虚拟现实和增强现实设备,进而导致虚拟现实和增强现实技术在学校的推广普及步履艰难。如zSpace Z300 刚引入我国时每台售价20 多万元,微软的HoloLens 还未上市,公布的预售价在每台2 万元以上,普通头戴式虚拟现实设备的价格也在2000 ~ 5000 元之间。大多数虚拟现实软件普遍存在语言专业性较强、通用性较差和易用性差等问题。受硬件局限性的影响,虚拟现实软件开发花费巨大且效果有限。另外在新型传感应用、物理建模方法、高速图形图像处理、人工智能等领域,都有很多问题亟待解决。三维建模技术也需进一步完善,大数据与人工智能技术的融合处理等都有待进一步提升。以上诸多原因的存在制约了虚拟现实和增强现实技术在中小学教学中的推广和普及。

五、虚拟现实和增强现实技术在教学应用中的前景展望

(一)虚拟现实和增强现实技术发展对未来教学形式的影响

随着科学技术的迅猛发展,在云计算、雾计算、物联网、“互联网+”、大数据、人工智能突飞猛进的新时代背景下,虚拟现实和增强现实技术与人工智能、大数据和物联网融合,将会让虚拟现实和增强现实技术应用如虎添翼。根据国际数据公司的预测,未来一年里,在以消费者为导向的全球2000 强公司中, 预计有30% 的企业将在营销活动中试验虚拟现实和增强现实技术。2021 年时,虚拟现实和增强现实技术将获得大规模应用,全球会有超过10 亿人通过虚拟现实和增强现实平台经常访问应用程序、内容和数据[16]。

随着虚拟现实和增强现实软硬件设备的性能提升和价格降低,会有更多的教育投资公司开发出更加丰富多彩的教学资源,让虚拟现实和增强现实技术快速走进中小学课堂,在教学中大面积应用普及。依托其具有的沉浸性、交互性、构想性、虚实结合、实时交互和三维配准等超级体验感的优势,教师的教学方式和学生的学习方式都将会发生改变。虚拟现实和增强现实技术在教学中的应用普及将会颠覆传统的教育方法和教学形式,具有巨大的应用潜力与应用前景。

(二)虚拟现实和增强现实技术发展对未来教学效率的提升

虚拟现实和增强现实技术与教育的结合,将会提高未来课堂的教学效率。因为传统教学模式是教师面向全班同学以灌输式、无差异的方式组织教学,而采用虚拟现实技术教学将使课堂教学采用个性化、自主式、体验式的方式组织教学,通过因材施教,每一位学生都可以在虚拟环境中,个性化地听老师为自己讲课,还能与虚拟环境中的老师互动交流。传统课堂为一人讲多人听,而虚拟现实课堂则相当于每个学生面前都有一位自己的老师。同时增强现实技术还可以将静态的文字、图片读物立体化,增加阅读的互动性、趣味性和真实感,创设现实情境,通过3D 模型使抽象的学习内容变得形象化、微观的学习内容变得可视化、复杂的学习内容变得简单化,帮助学生理解和识记抽象的概念。虚拟现实和增强现实作为教育工具应用在课堂上,将为学生展现一个能够交流互动的虚拟世界,既能满足学生的体验感和好奇心,又能以创新的方式传授知识,从而可以大大提升教师的教学效果、激发学生的学习兴趣、提高学生的学习效率。

(三)虚拟现实和增强现实技术发展对未来教学的创新

虚拟现实和增强现实技术能为学生提供多种形式的数字内容和虚实结合的情景化的学习环境,增强了学生在学习中的存在感和沉浸感。通过虚拟现实和增强现实技术能够将虚拟场景与现实世界相结合,通过穿越时空的方式进行交流互动,增强了学生的动手操作能力,提升了学生的感性认识和真实体验,激发了学生的创新意识和创新思维,培养了学生自主探究和自主学习的能力。虚拟现实和增强现实技术是多种先进技术的应用和多学科知识的汇聚与融合,是创客教育和STEAM 教育的较佳载体,将虚拟现实和增强现实技术应用于教学中,为学生的创客学习创造了条件, 学生在创客空间里利用虚拟现实和增强现实技术通过主动探索、动手实践、创新设计、跨界融合来学习新知识和掌握新技能,利用先进的虚拟现实与增强现实技术为载体开展创客教育和STEAM 教育,学生在虚拟与现实交互和时空穿越的过程中通过“玩中做”“做中学”“学中做”“做中创”[17],能够拓展发散性思维, 迸发出更加丰富的创新火花,创意“智”造出更加丰富的创客作品。新一轮教学改革已经到来,“中国学生发展核心素养”总体框架正式发布(如图16 所示), 其中实践创新作为六大综合表现之一被提出。而虚拟现实和增强现实技术在教学中的应用正是一种教学模式的创新,将有助于推动教学改革的进程,有助于创客教育和STEAM 教育普及,有助于学生核心素养的培养。

六、结束语

人工智能、大数据分析与虚拟教育(VR 教育)被称为影响未来的三大科技创新方向。未来的虚拟现实和增强现实技术将结合更多高新科技元素如人工智能、云计算、大数据和移动技术等,而随着虚拟现实和增强现实技术的发展,其在教育领域的发展前景也将会越来越广阔。虚拟现实和增强现实学习环境带给我们的不仅仅是一个技术平台或工具,更会孕育出一种新型的教学模式和教学方法。将虚拟现实和增强现实技术广泛地应用到课堂教学中,对于贯彻落实教育部关于“发展未来学校”和“智慧课堂改革”的设想有重大意义。虚拟现实和增强现实技术能够将虚拟对象与真实环境相融合,通过其较强的交互性能给学生带来更多的学习乐趣, 并为学生提供一种新的学习媒体和学习体验,促使学生在愉悦的状态下进行移动学习、自主学习、项目学习和创客学习。依托虚拟现实和增强现实技术为创客教育的载体,能让学生通过自主探究、跨界融合、团队协作、开拓创新来提升核心素养。让虚拟现实和增强现实技术与教育完美结合,快速走进中小学课堂,将为开启未来教育创新之路做出巨大贡献。

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作者简介:

王同聚(1968— ),男,河南泌阳人,硕士生导师,中学高级教师,智创空间创始人,研究方向为智能机器人创客教育、STEAM 教育、教育信息化应用等。

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